摘 要: 设计了一种适于 高温环境下应变检测的光纤布拉格光栅应变片，该光纤光栅应变片采用 型结构，适用于二维表面高温应变检测 光栅应变片选用三只聚酰亚胺涂覆层光纤布拉格光栅和高温恒弹合金基底，经高温粘接工艺进行封装 对制取的高温光纤布拉格光栅进行了 高温煺火性能测试，证实了其高温环境下工作的适用性 采用等强度悬臂梁方法，对封装的高温光纤光栅应变片进行了高温性能和应变性能测试，得到了光纤光栅 型应变片对温度和应变的灵敏度，验证了高温光纤光栅应变片的工作性能

关键词: 高温应变; 光纤布拉格光栅; 型应变片; 等强度悬臂梁

对于高温环境下的应变测试，由于测量环境比较恶劣，一直是现代科技工程中时常遇到的技术难题，比如: 高温压力管道和高温压力容器应变测试问题 目前常用的高温应变测试技术方案为高温电阻应变片技术［］，但由于电阻应变片在高温时工作稳定性较差，而且其相应电路更是无法在高温下正常工作，因此电阻应变片在实际高温应变测试中精度较差，且容易引起燃爆事故 布拉格光纤光栅( ) 自 年发明以来一直都是光纤传感技术的热点之一［ ］， 具备对结构表面应变实施高精度和准分布式多点监测的能力，方便构成各种形式的光纤传感网络［］虽然对于高温应变监测，还有其他的光纤传感技术方案可供选择，比如: 光纤法布里珀罗( ) 干涉腔传感技术方案［］，但是，较之 器件， 光纤传感器件存在传感信号弱制作工艺困难信号解调难以及组网困难等技术缺点，综合考虑之下，目前 成为高温环境下最为适用的应变检测技术方法

光纤光栅一般可分为布拉格光纤光栅( ) 和长周期光纤光栅( ) ，目前 在常温下应用广泛，而且技术较为成熟，但是普通的 在以上环境时会出现所谓光栅结构的擦除现象，因而无法工作于 以上的高温环境［ ］长周期光纤光栅( ) 出现于上一世纪末期，目前经过特定工艺方法写入的 可以达到耐 以上高温的性 能，此 类 耐 高 温 有多种工艺制备方法［ ］目前耐高温 制作工艺普遍难以控制，光栅刻制的重复性较差，加之 带宽较大，复用效率很低，信号解调技术也不成熟，因此本文优选耐高温 作为高温应变测试的敏感器件为解决普通 不能耐 以上高温的问题，本文选用特种聚酰亚胺 ( ) 涂 覆 层 光纤，采用光纤载氢刻写和高温煺火工艺，成功制备出了可在 高温下正常工作的耐高温光纤光栅，设计加工了适于表面二维应变测试的 型 高 温应变片，并对封装后的 型高温 应变片进行了温度和应变性能测试高温应变 的制作及技术特性器件的工作机理基于光纤传输模式耦合理论，满足相位匹配条件的传输光通过 时由于模式耦合会被反射，反射光的中心波长称为布拉格( ) 波长，表示为( )其中 称为 的有效折射率，称为 的有效周期 当待测应变改变 的有效周期 时，则反射中心波长会发生相应移动 ，检 测 该 移动量就可以实现对待测应变的检测光纤材料及制作普通光纤的涂覆层由于高温烧毁而不能保护光纤内部的包层和纤芯，在 的高温下会出现光栅结构的擦除现象，所以为了使光纤光栅在的高温环境下能够正常应用，需要对其涂覆层进行改良 经过筛选，本文选择了聚酰亚胺( )光纤 聚酰亚胺是一种高温环境下综合性能良好的有机高分子材料， 光纤的涂覆层能够很好的保护包层和纤芯，具有优越的抗扭曲抗震动等性能，适合在 的温度范围内使用光纤光栅的制备过程一般包括光纤载氢紫外刻写 高温煺火三个阶段 首先将光纤放置在压强为 温度为 的载氢池中进行 载氢; 然后用准分子激光器以相位掩模板法在载氢之后的 光纤上刻写光栅光纤光珊性能为了验证耐 光纤光栅高温 的高温特性，对其进行了高温煺火特性实验，将制备好的光纤光栅置于 环境下进行了的热衰变实验，特性曲线如图 所示，可见该光栅在恒温箱中最初特征波长略有漂移，时隔 后中心波长稳定在 ，透射率稳定在 ，证实该光纤光栅在 高温环境下可以正常工作高温应变 应变片的设计及封装利用 耐 高 温 进 行 应 变 检 测，必 须 将光栅封装成适于测试的应变片形式，考虑到待测物体表面的应变一般为二维分布，因此要求所设计的应变片具备二维应变测试的能力，且所用结构材料必须在 环境下可靠工作 

本文为此设计封装了 结构的高温光栅应变片型应变片设计考虑 到 应变片的二维测试要求，设 计 了型结构应变片形式，结构如图 所示 应变片基底材料采用了耐高温迟滞效应小和高温性能恒定的恒弹合金 ，应变片上共粘贴三个高温光纤光栅，两个沿 型结构应变片的横向，分别为 和 ，另 一 个 沿 应 变 片 的 纵 向，为应变片金属基片厚度设计为 ，这种薄片结构设计可以保证待测物体表面应变可以有效传递到 上，其中 可用于反映表面横向应变， 用于反映表面纵向应变， 通过单端粘接封装只感受温度影响，用作温度补偿光栅［］型应变片结构封装将光纤光栅封装在 型金属基底上有许多技术关键需要考虑，第一是光栅的粘接方法，必须选择高温性能优良的粘接剂，具备 环境下足够的粘接强度和工作稳定性; 第二，考虑到待测应变可以是拉应变或者压应变，光栅在粘接时需要适当的预拉伸; 第三，光栅的胶粘方法可以采用两端粘接或者整体胶封，两端粘接工艺简单，但传感器工作的可靠性较差，光栅区域的整体胶封是指将整个光栅敏感体用高温胶均匀的粘接在应变片基底上，这种方法光栅与周围空气隔绝，光栅得到很好的保护，但工艺要求胶粘具有很好的均匀性，以免出项光栅工作时的啁啾，影响应变片的工作性能; 第四，为方便安装，需要在 型金属基片的光栅安装位置加工矩形浅槽，矩形槽的主要作用在于保证将光纤光栅粘结在基片上时胶水分布均匀高温应变 应变片的实验测试实验测试装置实验 装 置 示 意 图 如 图 所 示 由 宽 带 光 源( ， 台式光源) 发出的光，经过光纤耦合器入射到 中，由光栅反射回的信号再经耦合器送到光谱仪( ， ) 中，由此检测反射中心波长的漂移量 将耐高温 ( 中心波长 为 ，反 射 率 为 ) 和 耐 高 温( 中心波长为 ，反射率为 ) 粘结于 应变片基底上，同时将耐高温 ( 中心波长为 ，反射率为 ) 单端粘结于基底上 然后再将等强度梁置于恒温箱( )中，温度值由恒温箱控制，实验中由高温箱外的挂载砝码提供加载，等强度悬臂梁的上下表面分别产生拉应变和压应变 同时高温电阻应变片结合应变测量仪提供悬臂梁的实际应变比对值上述实验装置中，选用等强度悬臂梁加载待测应变， 的中心波长会随着悬臂梁载荷的改变而发生漂移 等强度悬臂梁示意图如图 所示，根据材料力学的悬臂梁弯曲理论，可推导得等强度梁弯曲时其表面应变 为［］( )式中 为作用在加载点的载荷， 分别为等强度悬臂梁的长度 宽度厚度和弹性模量，实验中等强度悬臂梁的 分别为实验测试结果按图 所示实验装置对 型应变片沿悬臂梁轴线粘贴的温度和应变特性进行了实验测试，分别沿 型应变片的横向和纵向贴装，实验得到图 所示的三个光纤光栅和 的温度敏感特性，其对温度的灵敏系数分别为 和 ，并呈现良好的线性 作为温度参考栅，其单端与应变片粘接，其温度灵敏系数比 和 要小，基本上与裸栅的温度灵敏系数相当，实际测试时可以作为温度补偿光栅使用光栅应变片应变测试中通过砝码使等强度悬臂梁上表面产生拉应变，下表面产生压应变，每次加载，加到 后进行对称卸载 光谱仪设定的扫描时间为 ，在保证实验箱温度恒定条件下连续加载卸载 连续加载卸载 次后，求进回程均值最为测试结果，然后将测试结果数据进行拟合，得到和 对应拉应变和压应变的测试敏感特性如图和图 所示 由图可以计算出， 的拉应变灵敏度为 ， 的压应变为

结论

本文对一种 型结构的高温光纤光栅应变片技术进行了研究，该应变片采用高温恒弹合金作为工作基底，采用三个 光纤光栅的二维组合结构，实现对高温目标表面的温度和二维应变测试文中对 光纤光栅的制备方法和 型光纤光栅应变片的设计封装技术进行了研究，并采用等强度悬臂梁方法对封装的 型应变片样品进行了高温和应变测试，验证了高温光纤光栅应变片的工作性能

参考文献:［］董伟 电阻应变片粘贴技巧［］山西建筑，( ) :［］暴学志光纤光栅传感器技术应用研究［］中 国 科 技 信 息，，:［］滕峰成，杨刚，董博，等基于 技术的光纤光栅振动解调系统设计及复用特性分析［］传感技术学报， ，徐富国，饶云江，冉曾令激光微加工的光纤法布里珀罗应变传感器［］光学学报， ］杨樟成，徐汉锋，董新永高温光纤光栅的研究进展［］激光与光电子学进展， ，:［］王义平，饶云江高频 激光脉冲写入长周期光纤光栅的方法［］电子学报， ，杨丽萍，孙宝臣，杜彦良，等基于光纤光栅的应变和温度同时测量传感技术的研究［］传感技术学报， ，( ) :［］孙华，刘波，周海滨，等一种基于等强度梁的光纤光栅高频振动传感器［］传感技术学报， ，( ) :